基于PLC的自动洗车控制系统设计

PAGEPAGEI摘要改革开放以来，中国汽车保有量快速增长，对自动洗车的需求也得到了显著提升。传统的人工洗车存在效率低、水资源浪费及环境污染等问题，而自动洗车技术有着高效能、节水的优势，展现出了广阔的应用前景。基于PLC控制技术，设计了一套自动洗车控制系统，实现洗车流程的自动化，提高洗车效率。

本文分析了国内外自动洗车技术的发展现状，依据目前的自动洗车系统，提出PLC与多传感器设备协同工作的自动洗车方案。

硬件设计上，选用西门子S7-1200系列PLC，配置输入、输出模块，集成车辆检测、水压监测等模块，规划传感器的安装与电气连接，确保控制执行机构动作时的精准度。软件设计是运用梯形图编程，对洗车全流程自动化控制程序进行编译，有预洗、喷淋清洗、刷洗控制、风干等环节，有着自动、手动模式切换功能。仿真设计使用TIAPortalV15软件，对自动洗车的运行画面进行设计，并完成画面图形与PLC变量的关联，将程序地下载到模拟PLC中，使HMI画面与模拟PLC正常连接，直观呈现出自动洗车的各项操作流程。仿真测试验证了控制程序的稳定性与界面交互的实用性，优化了系统的响应速度与节能效果。

研究表明，本设计系统通过PLC控制与传感器的实时反馈，在提升洗车效率与水资源利用率方面有一定的参考价值。在一定程度上可以推动行业向智能化、绿色化发展。关键词：PLC；洗车控制系统；自动洗车机PAGEPAGEIIAbstractSince

the

reform

and

opening

up,

the

number

of

cars

in

China

has

increased

rapidly,

and

the

demand

for

automatic

car

washing

has

also

been

significantly

improved.

Traditional

manual

car

washing

has

some

problems

such

as

low

efficiency,

waste

of

water

resources

and

environmental

pollution,

while

automatic

car

washing

technology

has

the

advantages

of

high

efficiency

and

water

saving,

showing

a

broad

application

prospect.

Based

on

PLC

control

technology,

an

automatic

car

washing

control

system

is

designed

to

realize

the

automation

of

car

washing

process

and

improve

car

washing

efficiency.This

paper

analyzes

the

development

status

of

automatic

car

washing

technology

at

home

and

abroad,

and

according

to

the

current

automatic

car

washing

system,

puts

forward

an

automatic

car

washing

scheme

in

which

PLC

and

multi-sensor

equipment

work

together.In

hardware

design,

Siemens

S7-1200

series

PLC

is

selected,

input

and

output

modules

are

configured,

vehicle

detection

and

water

pressure

monitoring

modules

are

integrated,

and

the

installation

and

electrical

connection

of

sensors

are

planned

to

ensure

the

accuracy

of

controlling

the

actions

of

actuators.

The

software

design

is

to

compile

the

automatic

control

program

of

the

whole

car

washing

process

by

using

ladder

diagram

programming,

which

has

the

functions

of

pre-washing,

spray

cleaning,

brushing

control,

air

drying

and

so

on,

and

has

the

function

of

automatic

and

manual

mode

switching.

In

the

simulation

design,

TIA

Portal

V15

software

is

used

to

design

the

running

screen

of

automatic

car

washing,

and

the

association

between

the

screen

graphics

and

PLC

variables

is

completed.

The

program

is

downloaded

to

the

analog

PLC,

so

that

the

HMI

screen

is

normally

connected

with

the

analog

PLC,

and

the

operation

processes

of

automatic

car

washing

are

presented

intuitively.

The

simulation

test

verifies

the

stability

of

the

control

program

and

the

practicability

of

interface

interaction,

and

optimizes

the

response

speed

and

energy-saving

effect

of

the

system.The

research

shows

that

this

design

system

has

certain

reference

value

in

improving

the

efficiency

of

car

washing

and

the

utilization

rate

of

water

resources

through

PLC

control

and

real-time

feedback

from

sensors.

To

some

extent,

it

can

promote

the

development

of

the

industry

to

be

intelligent

and

green.Keywords：PLC;

Car

wash

control

system;

car

passenger

car

washer

lin目录TOC\o"1-2"\h\u9884摘要 I15422Abstract II126191绪论 1321811.1研究背景与意义 1280181.2国内外研究现状 2225911.3主要研究内容 3325082总体方案设计 5219572.1功能需求分析 5120592.2整体结构设计 735772.3软硬件设计 9258413硬件设计 11104353.1PLC选型与配置 11227343.2传感器选型与设计 1253963.3执行机构与PLC的电气连接 13323173.4硬件电路设计与电气原理图绘制 1480034软件设计 17172504.1TIAPortalV15软件介绍 17111044.2PLC控制程序设计 18308534.3PLC控制程序调试 32151435仿真设计 3322385.1仿真问题调试与优化 33257165.2人机交互界面设计 35135875.3人机交互界面测试 42175095.4人机交互界面优化与改进 42198576结论 447317参考文献 4538致谢 47PAGEPAGE161绪论1.1研究背景与意义改革开放以来，经济的快速增长，推动了居民收入的水平提升，交通基础设施也不断完善，汽车产业蓬勃发展，使得汽车保有量持续攀升，越来越多的家庭拥有了一辆甚至是多辆汽车。汽车保有量的增加直接带动了自动洗车需求的上升。庞大的汽车数量带来了更多的洗车需求，为自动洗车行业提供了广阔的市场，消费者对便捷、个性化服务的追求，使得自动洗车这种高效、便利的方式更受欢迎。

传统人工洗车过程繁琐，需要先用高压水枪冲洗去车身表层的泥渍，再用泡沫枪进行打沫，接着用抹布进行全方位的擦拭，之后，再次使用高压水枪，将泡沫冲洗掉，最后，还要将车开到阳光下自然风干。这种方式不仅耗费人力，还存在着严重水资源浪费问题，且许多人工洗车房缺乏污水处理与回收设备，洗车废水直接排放会污染环境REF_Ref1380\r\h[1]。全自动洗车使用先进控制技术可自主洗车，全程无需人工干涉，也可使用触摸屏切换手动模式，按照用户所需进行清洗，完成一次洗车只要3-5分钟，相比传统人工洗车至少10分钟以上的时长而言REF_Ref1433\r\h[2]，大大提高了洗车效率、减少排队时间，还能控制洗车用水量的多少，避免水资源过多浪费、降低了劳动力成本，具有良好性能与应用前景。图1-1自动洗车机示例PLC在自动洗车系统中通过编程逻辑实现洗车自动流程的控制，与传感器连接实时反馈，各项设备协调工作，实现洗车流程的全自动化。从车辆驶入触发位置传感器，到控制喷头、洗车刷按照程序设计，有序工作，再到清洗完成后的风干环节，是这一自动洗车流程的完成。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状全自动洗车是国外最为常见且技术最为成熟的洗车方式，主要分为隧道式洗车和龙门往复式洗车两种类型REF_Ref17173\r\h[6]。隧道式洗车在国外应用广泛，其工作原理是将汽车停放在传送带上，传送带带动汽车依次通过高压水清洗、打沫、滚筒清洗、高压水清洁、打蜡、风干等多个工序，实现一站式洗车服务。龙门往复式洗车则是将汽车固定在洗车机内，通过机械结构的运动完成清洗、打沫、风干等操作，使车身达到理想的清洁效果。日本竹美Beauty，是一家集研发设计、生产制造、销售于一体的综合型企业，主要产品有全自动往复式洗车机，全自动大型车辆洗车机。

国外的洗车机通常配备了多种先进的传感器，如光栅传感器、位置定位传感器、声波传感器、检测汽车车门镜传感器、汽车进出洗车机传感器等。这些传感器相互配合，能够实时、准确地获取汽车的位置、尺寸、形状等信息，并将这些信息汇总到控制器中REF_Ref7247\r\h[9]。控制器根据接收到的信息进行分析和处理，计算出最佳的洗车方式和刷子的运动轨迹，确保刷子能够与汽车表面完美贴合，实现快速、高效、精准的洗车REF_Ref7983\r\h[4]。西班牙的ISTOBAL公司、美国的MisterCarWash公司等在自动洗车系统中应用了各类精密的传感器，在自动洗车设备的设计上有着高度自动化，并能实时对清洗车辆的各项信息进行处理。

此外，自动洗车机需要对采集到的数据进行整理分析，并且具有判断车型功能，所以需要更快的浮点运算速度，其中央处理器的运算速度比仿形洗车机的中央处理器运算速度要快得多。而且自动洗车机采用的先进技术使其在工作时不受电压波动、刷毛磨损、装备品干扰等因素的影响，大大提高了设备使用的安全性。1.2.2国内研究现状国内洗车机行业目前虽然发展迅速，但整体仍处于产业发展的初期阶段，在洗车机市场上存在着机遇与挑战。洗车机技术不断创新升级，不再只追求于性能方面，还注重对清洗过程中产生的污水进行处理，达到节能环保的效果，同时，为满足消费者日益多样化的审美需求，在外观设计方面对整体布局与空间利用不合理的情况进行改善REF_Ref11869\r\h[5]。

目前国内的洗车机主要为仿形洗车机，品牌繁多。仿形洗车机的工作原理是按毛刷电机电流的变化，控制毛刷上升下降、前进后退等，以达到仿形清洗的目的。虽然这种技术可以实现多种不同类型车辆的端面洗漆要求，并在一定程度上起到车体保护的效果，但由于国内一些生产厂家使用的传感器品种少，基本上只是根据电流传感器反馈毛刷电机的电流变化来控制毛刷的运动，对车辆进行清洗。杭州镭速清洗设备的全自动洗车机，是仿形升降式高压无接触并由电脑控制的自动洗车机，具有较好的清洗效果，并能按用户需求完成洗车的操作REF_Ref7489\r\h[10]。在国内市场上，虽然大部分洗车机产品仍属于仿形洗车设备，但也有一些企业开始引进和推广的自动洗车机技术REF_Ref7561\r\h[11]，青岛日森机电有限公司面向中国市场推出采用第四代车型识别技术的全自动智能洗车机REF_Ref5188\r\h[3]。该洗车机采用先进的信息处理技术，运算速度更快，识别非常精确，满足了人们对安全、高效洗车的需求。1.3主要研究内容设计一套自动洗车控制系统，实现对水资源的高效使用、节省洗车时间、减少对劳动力的使用并提高洗车效率的目标。通过TIAPortalV15仿真设计，实现各设备之间的协同工作，完成对整个洗车自动化流程的控制。使用PLC的控制功能和灵活的编程能力，控制洗车的各执行机构之间的动作，确保洗车流程的高效、稳定。本文分为以下六个章节：第1章绪论，探讨基于PLC的自动洗车控制系统设计的研发目标、国内外自动洗车机的发展现状和趋势，阐述PLC在自动洗车系统控制中的应用现状以及优势。第2章总体方案设计，分析自动洗车系统的功能需求，明确系统的性能指标，设计自动洗车控制系统的总体架构，规划自动洗车的工艺流程，确定每个环节的控制逻辑和时间参数。

第3章硬件设计，选择合适的PLC型号，进行PLC的硬件配置，包括输入输出模块的选型和地址分配。选择用于车辆检测、压力检测等的传感器，设计自动洗车控制系统的硬件电路，绘制电气原理图和接线图。第4章软件设计，完成洗车控制系统的设计。对PLC控制程序的设计与编译，实现洗车流程控制、清洗模式切换等功能；验证程序的逻辑正确性。第5章仿真设计，对仿真过程中出现的问题进行调试、解决。设计人机交互界面，检查界面的功能完整性、操作便捷性以及视觉效果。依据测试的结果对界面进行完善、改进。第6章结论，对完成的具体内容进行总结，并对未来改进方向进行规划。对设计中的程序编写、仿真应用的成果，进行梳理与总结，以明确设计的成效与不足，再者，针对不足之处深入探讨，规划下一步的改进方向。2总体方案设计2.1功能需求分析2.1.1基本洗车功能自动洗车机具备完整的洗车流程，有预洗、泡沫清洗、车身冲洗、刷洗车身、风干等基本功能。预洗阶段清洗设备使用高压水枪喷射水流，去除车身表面的污渍，为接下来的车身清洗做准备。泡沫清洗阶段清洁剂设备启动，产生大量泡沫并均匀覆盖车身，使污垢得到软化，清洗的效果得以增强。车身冲洗阶段使用高压水枪将车身表面的泡沫、污垢冲洗干净REF_Ref7806\r\h[12]。刷洗车身阶段通过毛刷对车身各个部位进行刷洗，达到清洗完全的效果。风干阶段风机启动，扇叶旋转产生气流对车身进行风干，吹干车身表面的水分。图2-1自动洗车机结构图2.1.2仿形洗车功能为提高洗车效果，自动洗车机应具备仿形洗车的功能。可以依据不同车型的形状和尺寸，使刷车设备和风干设备的到合适的位置，使得毛刷和风刀与车身表面紧密贴合的同时，不会对车身造成损伤，达到清洗与风干的效果。对于车身较高的SUV车型，刷车机构和吹风机构可自动升高到相应位置。车身较宽的大众揽境车型，刷车设备可以自动调整毛刷的间距到适合的宽度。2.1.3自动化控制功能自动洗车控制系统具备智能化的特点，可以实现自动化操作。通过传感器所传输的信号，获取车辆进入、位置和车型等信息，自动启动洗车程序，根据预设的参数、程序控制各个执行机构的动作REF_Ref7884\r\h[13]。系统具备故障报警功能，可以实时监测设备的运行状态，出现故障及时发出报警信号的同时，显示故障信息，维修人员可从设备信息中，了解故障位置与设备情况，达到快速排查的效果。系统配备人机交互界面、触摸屏，用户可以通过触摸屏选择洗车模式、查看洗车进度和设备状态等信息，便于用户操作。图2-2系统流程图2.1.4节能环保功能环保意识的不断提高，使得现在的设备设计上，不光注重在基本的使用与操作方面，更要注重对节能环保的设计。在水资源利用上，循环水系统，对洗车过程中产生的污水进行处理与回收利用，降低用水量。在能源消耗方面，选用高效节能的电机、风机等设备。对程序的编写上，对控制系统的运行程序进行更改，减少设备的空载运行时间，降低能源消耗，进而达到节约能源的目的。2.2整体结构设计2.2.1龙门架系统自动洗车机的主体支撑结构是龙门架系统，它的稳定性直接影响到洗车机的工作性能。设计上采用上、下两层组装式结构的龙门架，上层用于安装横刷机构和顶吹风机构，下层用于安装立刷机构和侧吹风机构REF_Ref8018\r\h[14]。龙门架主体是使用高强度的钢材制作，在材质上具有足够的强度与刚性。对安装和运输方面的考量，龙门架各部件之间采用了螺栓连接方式，可以按照实际场地需求进行灵活组装和拆卸。图2-3龙门架系统2.2.2刷车系统刷车系统是自动洗车机的核心部分，负责对车身进行刷洗。本设计的刷车系统由立刷机构、横刷机构和轮刷机构组成REF_Ref10418\r\h[15]。立刷机构采用横向移动的双向摆动式结构，立刷可以在车宽方向上向外倾斜，刷洗两侧车窗的倾斜面，还可以在车长方向上向后倾斜，刷洗车尾顶部的凹槽死角，使得对车身的刷洗更加全面。横刷机构采用卷筒式电动升降方案，依据车型高度自动调整横刷的位置，实现对车身顶部的刷洗。轮刷机构采用内置伸缩式方案，在不使用时可收缩至龙门架内部，减少了对洗车空间的过多占用，在需要清洗车轮时，轮刷机构会伸出，对车轮进行全方位的刷洗REF_Ref10484\r\h[16]。2.2.3风干系统风干系统包括顶吹风机构和侧吹风机构，能够更好地适应不同车型的车顶形状，提高风干效果REF_Ref10568\r\h[17]。快速吹干车身表面的水分，使车身的水渍得以清除。侧吹风机构采用内置式侧风刀结构，安装在龙门架下层两侧，能够对车身侧面进行高效风干。图2-4风干系统2.2.4喷淋系统喷淋系统负责在洗车过程中向车身喷洒清洁剂和清水。预洗喷淋和清水喷淋环节都采用高压水枪，安装在龙门架前方和两侧，从不同角度对车身进行高压冲洗，去除车身表层污垢。泡沫喷淋使用泡沫发生器将清洁剂与水相混合产生泡沫，使车身被泡沫均匀覆盖。2.3软硬件设计2.3.1控制系统硬件架构控制系统硬件主要由PLC、传感器、执行器、触摸屏等人机交互设备以及电源等部分组成。PLC作为控制系统的核心，负责接收传感器发出的信号，依据设计好的程序对执行器发出相应的指令，实现对洗车机各个设备的控制。传感器有车辆检测传感器、位置传感器等，用来实时监测车辆的进入、位置和车型等信息REF_Ref10709\r\h[18]。执行器包含电机、电磁阀、气缸等，用来驱动洗车机的各个机械部件完成相应动作。触摸屏作为人机交互界面，用户可在触摸屏中完成对洗车模式选择、参数设置、设备状态查看等操作。电源部分为整个控制系统提供了稳定的电力供应。2.3.2控制系统软件架构控制系统软件包括PLC程序和触摸屏设计两部分。PLC程序采用模块化设计，将复杂的洗车流程设计成多个独立的功能模块，自动洗车模块、手动控制模块、故障诊断模块等，每个模块所具备的功能与在洗车过程中设备要完成的工作相对应。在自动洗车模块这里，有预洗、泡沫清洗、清水冲洗、刷车、风干等程序段，对这些程序段进行调用，实现自动洗车的流程。触摸屏设计为实现人机交互功能，有界面设计、用户操作响应和数据显示等方面。通过与PLC进行通信，实时获取设备的运行状态和相关数据，将用户的操作指令传递给PLC，实现对洗车机的操作监控。图2-5系统架构

3硬件设计3.1PLC选型与配置3.1.1PLC选型依据根据自动洗车控制系统的输入输出点数需求，确定PLC的I/O模块数量和类型。本设计中需要车辆检测传感器、位置传感器、水压检测传感器等多种输入信号进行反馈，对控制电机、电磁阀、气缸等多个执行器的控制，系统共需要14个输入点和10个输出点，考虑PLC的处理能力和响应速度，自动洗车控制系统需要实时处理传感器信号，并快速对执行器发出控制指令，以及PLC的可靠性、编程便利性、扩展性以及成本等方面。选用西门子S7-1200系列PLC，该系列PLCI/O模块可供选择较多，能够满足本系统的输入输出点数需求；处理速度快，能够实时响应各种控制信号；编程软件功能强大，支持多种编程语言；具有良好的扩展性，可方便地添加通信模块、功能模块等。3.1.2PLC硬件配置根据系统需求，对西门子S7-1200系列PLC进行硬件的配置，选择CPU1214C作为核心处理器，该型号CPU集成了14个数字量输入点和10个数字量输出点，满足了系统部分的输入输出需求，其订货号是6ES7214-1AG40-0XB0。满足了系统对输入、输出点数的需求，使自动洗车控制系统可以精准地接入各类传感器信号，高效控制电机、电磁阀、气缸等执行机构，保障了整个洗车流程的稳定运行。对系统与其他设备进行通信的情况进行考量，需要预留了通信模块扩展槽，可在后续依据实际所需添加通信模块。

表2.1PLC-I0输入PLC元件作用说明符号I0.0右极限位开关SQ1I0.1左极限位开关SQ2I0.2急停按钮SB1I0.3复位按钮SB2I0.4自动模式按钮SB3I0.5自动启动按钮SB4I0.6自动停止按钮SB5I0.7手动模式按钮SB6I1.0手动左移开关SA1I1.1手动右移开关SA2I1.2手动喷水开关SA3I1.3手动刷子开关SA4I1.4手动清洁剂开关SA5I1.5手动风机开关SA6表2.2PLC-I0输出PLC元件作用说明符号Q0.0洗车机左移输出KM1Q0.1洗车机右移输出KM2Q0.2刷子动作输出KM3Q0.3风机动作输出KM4Q0.4喷水阀YV1Q0.5清洁剂阀YV2Q0.6自动运行指示HL1Q0.7复位模式指示HL2Q1.0自动模式指示HL3Q1.1手动模式指示HL43.2传感器选型与设计3.2.1车辆检测传感器车辆检测传感器用于检测车辆是否进入洗车区域，选用红外对射式传感器，该类传感器具有检测距离远、精度高、抗干扰能力强的优点。将发射端和接收端分别安装在洗车区域入口的两侧，在车辆进入到洗车区域，会遮挡红外光线，接收端接收到的信号发生变化，并产生一个触发信号传递给PLC，PLC依据该信号判断车辆已进入，并启动洗车程序。3.2.2位置传感器位置传感器是为检测洗车机中各个设备的位置，确保设备动作准确，不会在洗车过程中对车身造成损伤。对刷车设备和风干设备的升降位置检测，采用接近开关。接近开关具有无触点、寿命长、响应速度快等特点，安装在升降导轨上，在设备工作状态下上升或下降到设定位置时，接近开关感应到执行机构上的金属部件，输出信号给PLC，PLC根据信号控制电机停止运转，使位置控制得以准确。3.3执行机构与PLC的电气连接3.3.1电机与PLC的连接使用的电机主要有位移电机、刷子电机和风机电机。这些电机均采用三相异步电机，用接触器和热继电器与PLC连接。PLC经过控制接触器的线圈得电或断电，来控制电机的启停。热继电器用于保护电机，在电机过载时，热继电器的常闭触点会断开，切断接触器线圈的电源，使电机停止运行，从而避免电机被烧毁。对PLC与接触器连接时，将PLC的输出点与接触器的线圈一端连接，接触器线圈的另一端接电源。热继电器的热元件需串联在电机的主电路中，热继电器的常闭触点串联在接触器线圈的控制电路中。

图3-1主接线图3.3.2电磁阀与PLC的连接电磁阀用来控制洗车机中的水路和气动回路，控制高压水枪的喷水、泡沫发生器的喷泡沫、气缸的动作等。电磁阀使用直流24V电磁阀，经过继电器与PLC连接。PLC通过控制继电器的线圈通电或断电，来控制电磁阀的开启、关闭。在连接时，将PLC的输出点与继电器的线圈一端连接，继电器线圈的另一端接电源；将继电器的常开触点与电磁阀的线圈串联，电磁阀线圈的另一端接电源。要注意电磁阀的工作电压和电流，保证继电器的触点容量可以满足电磁阀的要求。3.4硬件电路设计与电气原理图绘制3.4.1硬件电路设计硬件电路主要有电源电路、输入电路、输出电路和通信电路等。电源电路为整个控制系统提供了稳定的电源，输入电路用于将传感器输出的信号转换为PLC能够识别的数字信号，输出电路用于将PLC输出的控制信号转换为执行机构可以接受的驱动信号，通信电路用于实现PLC与触摸屏设备之间的通信。在设计电源电路中，采用的开关电源将220V交流电转换为24V直流电，为PLC、传感器、继电器等设备供电。在输入电路中，通过电阻、电容等元件对传感器输出的信号进行放大、电平转换，再将处理后的信号接入PLC的输入点。在输出电路中，通过继电器、晶体管等元件将PLC输出的信号进行放大和隔离，然后驱动执行机构动作。在通信电路中，依据所选PLC的通信接口类型，选择相应的通信模块和通信线缆，以实现PLC与其他设备之间的通信。图3-2PLC接线图3.4.2电气原理图绘制电气原理图主要包括主电路、控制电路、输入电路、输出电路等部分。在绘制电气原理图时，依据电气制图标准，选择需要的电气符号和图形进行制图，要清晰地表示出各个电气元件之间的连接关系与控制逻辑。主电路主要有电机、接触器、热继电器、熔断器等元件，用来控制电机的运行。控制电路则包含开关、继电器、按钮等元件，用来完成对主电路的控制。输入电路主要有传感器、电阻、电容等元件，作用是将传感器信号接入PLC。输出电路主要有继电器、晶体管、电磁阀等元件，把PLC的控制信号输出到相应设备中去。图3-3控制电路从左到右，依次是位移电机（KM1、KM2）、刷子电机（KM3）、风机电机（KM4）。Q1、Q2、Q3为电机保护开关，有继电器，在电机过载时断开电路保护电机。在位移电机中，继电器得电后，KA1常开触点闭合，KM1线圈得电，电机正转，若是KM2，则电机反转。其余电机的控制原理相同，以风机为例，继电器得电后，Q3常开触点闭合，KA3常开触点闭合，所对应的KM4线圈得电，风机启动。

4软件设计4.1TIAPortalV15软件介绍选用TIAPortalV15作为程序设计与仿真软件，该软件有着强大的编程环境，多种编程语言的支持，支持梯形图、函数块图、结构化文本、顺序功能图和指令列表等多种编程语言，可以满足不同用户的编程习惯和项目需求。梯形图直观易懂，适合初学者完成控制逻辑简单的项目，使用结构化的文本处理复杂的算法，更好地完成对数据的处理任务。图4-1TIAPortalV15软件界面在仿真功能上，STEP7

Simulation模块的仿真功能，使得用户可以在虚拟环境中进行编程和调试，能在项目实施前发现和解决潜在问题，以仿真运行的形式对程序段进行监视，直观地发现设计中出现的问题。使用可视化的编程和配置工具，使得工程的创建过程得以简化。用户可使用图形化界面完成设备的通信配置、逻辑编程、参数设定等操作，具有很高的工程完成效率。在配置工业网络时，对各个设备间进行连线拖拽和设置参数，完成设备之间的通信连接配置。图4-2TIAPortalV15启动监视4.2PLC控制程序设计4.2.1程序架构设计PLC控制程序依照模块化设计，把洗车流程的程序段拆解为多个独立的功能模块进行编写，使得在程序编译过程中，可以更快地发现错误的位置，进行相应的修改。程序架构主要有主程序、初始化程序、自动洗车程序、手动控制程序等模块。PLC控制程序的核心是主程序，用来调用各个功能模块。在系统中启动初始化程序，对PLC的输入输出端口、定时器、计数器等进行初始化设置。自动洗车程序依据预设的洗车工艺流程，控制各个执行机构之间的动作，实现对自动洗车流程的控制。手动控制程序，经过操作按钮对各个执行机构进行手动控制。故障诊断程序实时监测系统的运行状态，故障发生时，停止洗车程序，故障信息会在触摸屏上进行显示。4.2.2洗车流程控制程序设计洗车流程控制程序是PLC控制程序的关键部分，依照设计好的洗车工艺流程，控制好各个执行机构的动作。自动洗车的流程主要有预洗、泡沫清洗、清水冲洗、刷洗车身、风干等阶段。在每个阶段，控制相应电机、电磁阀等执行机构的启停，实现自动洗车功能。在预洗阶段，控制高压水枪设备启动，打开高压水枪电磁阀，使高压水枪喷水；清洗阶段，控制清洁剂设备启动，打开该设备的电磁阀，使清洁剂喷洒在车身上。洗车流程控制程序的梯形图如下：图4-3对应模式指示灯程序三种指示灯都归类于控制模式中，分别对应自动模式按钮、复位按钮以及手动模式按钮，按下对应的按钮使相应指示灯得电，指示灯由红色的未激活状态变为绿色的激活状态。图4-4洗车机左移程序图4-5洗车机右移程序以上两段程序为洗车机的移动运作程序，以急停按钮为最高指令，按下急停按钮后洗车机停止移动；汽车靠左限位为洗车机初始状态，按下复位按钮，汽车返回左限位；先按下自动模式，检测到汽车位于左限位执行洗车机右移指令，若右限位，则执行洗车机右移指令。图4-6喷水设备控制程序图4-7刷子设备控制程序图4-8清洁剂设备控制程序图4-9风机设备控制程序图4-6、4-7、4-8、4-9均为设备输出程序，按下自动模式开关，执行自动模式流程下设定的操作；按下手动模式开关，可使每个部分独立或共同运作；按下急停按钮，所有输出设备停止运作。图4-10洗车机左限位为原点运用当前值与移动值指令实现自动步骤，将汽车位于左限位定为原点，即洗车机的初始状态，通过移动值指令使汽车完成相应的复位指令。

图4-11自动模式下喷水与刷洗执行程序01图4-12自动模式下喷水与刷洗执行程序02图4-11、4-12是在自动步骤下，喷水与刷洗的执行程序段，通过移动值指令完成对接下来自动步骤的调用，并对刷洗和喷水设备进行启动与停止的管理。图4-13自动模式下清洁剂设备运作程序01图4-14自动模式下清洁设备运作程序02图4-13、4-14是自动模式下清洁设备的动作控制，汽车在清洁剂设备的作用下，充分打沫，车身被泡沫所覆盖，污渍迅速溶解，为接下来的刷洗步骤提供充分的条件。图4-15自动模式下刷洗设备运作程序（洗车头）图4-16自动模式下刷洗设备运作（洗车尾）图4-17自动模式下车身刷洗后右行图4-15、4-16是在自动模式下，完成车身打沫后，对车头与车尾的第一次刷洗，用定时器设定刷洗时间，控制刷洗设备的输出，用移动值指令完成对下面步骤的调用；图4-17汽车完成打沫后的第一次刷洗后右行控制，并移动至右限位。图4-18自动模式下左移刷车尾图4-19自动模式下左移刷车头图4-20自动模式下车身完成仔细刷洗后左行图4-18、4-19是自动模式下的汽车打沫后第二次对车身的仔细刷洗，使车身达到彻底清洁的情况，运用定时器指令完成对刷洗设备的输出控制，并用移动值指令调用下一步；图4-20第二次仔细刷洗完成，汽车左行至左限位，完成对洗车机的输出控制，用移动值指令调用步骤。图4-21自动模式下第三次刷洗与喷水设备共同运作图4-22自动模式下第四次刷洗与喷水设备运作（彻底刷洗并回到原点）图4-21、4-22是自动模式下，刷洗与喷水设备的输出控制，在汽车经过清洁剂的泡沫步骤后，再次进行刷洗，将泡沫与污垢冲洗下来，汽车行进至左限位处，该步骤完成，刷洗与喷水设备停止动作。图4-23自动模式下风机运作程序（右行）图4-24自动模式下风机风干车身（回到原点完成自动流程）图4-23、4-24为自动模式下对风机动作的调用，且风干步骤作为自动模式下的最后一步，风机动作输出停止，汽车此时也回到原点处，自动运行指示灯熄灭，自动洗车过程也宣告完成。图4-25自动洗车流程图4.2.3模式切换程序设计选择不同模式时，洗车流程和执行机构的动作参数会做出不同调整。清洗模式切换程序通过读取触摸屏发送的清洗模式选择信号，确定当前清洗模式，调用相应的洗车流程控制程序。清洗模式切换程序的梯形图如下：图4-25控制模式切换程序图4-26不同模式切换时相关动作程序4.2.4报警模块程序设计采用HMI报警中的离散量报警与模拟量报警两种方式，在离散量报警程序块中，通过将常开触点置1或置0的方法，达到对报警信息的文本反馈效果。模拟量报警程序块中，将数据手动修改并运用比较操作，判断是否触发报警文本。图4-27离散量报警程序块图4-28模拟量报警程序块4.3PLC控制程序调试4.3.1程序下载与硬件连接检查在进行PLC控制程序调试前，先将编写好的程序下载到PLC中，利用西门子编程软件TIAPortalV15，将计算机与PLC相连接，在软件中正确设置好通信参数后，把程序下载到PLC的CPU中。下载完成后，检查设备的关联状态，查看传感器、执行机构等设备与PLC连接是否正常，检查电源供应是否正常，保证各个设备能正常工作。4.3.2程序逻辑正确性验证借助PLC编程软件的监控功能，对程序逻辑的正确性进行验证。在监控模式下，可实时观察PLC的输入输出点状态、定时器和计数器值、标志位状态等，检查程序是否按预设程序运行。在洗车流程控制程序中，观察各个阶段定时器时间计时和结束计时完成时，相应执行机构控制输出点能否按流程要求完成相应动作。如果发现程序段中有逻辑错误，及时修改调试程序，直至程序逻辑正确。

5仿真设计5.1调试与优化5.1.1问题分析在使用PLC编程软件进行仿真测试时，不可避免的会发生一些问题。程序逻辑错误致使仿真结果与预期不符，像洗车流程顺序错误、执行机构动作时间不正确等；程序块设置时采用模拟量输入，用强制表使数据定值，导致触摸屏显示数据与PLC模拟量数据不一致；硬件设备模型与实际设备存在差异，使得仿真结果无法完全反映实际情况，电机启动和停止时间与实际设备有偏差。针对这些问题，通过检查程序、查看梯形图逻辑关系、运用编程软件调试工具单步调试等方法，找出错误并修改后，进行仿真动画的运行检测。对于硬件设备模型与实际设备差异问题，需测试分析硬件设备实际性能，依据实际数据优化仿真模型，使仿真结果更贴近实际情况。图5-1程序块装载到设备画面5.1.2调试与优化措施对定时器和计数器进行合理使用，避免嵌套使用导致程序逻辑混乱；对程序结构进行优化，分解复杂的功能模块，增强程序可理解性；利用中间标志位和数据寄存器，简化程序逻辑关系，缩短程序扫描周期。图5-2对HMI中的变量设置采集周期分析仿真结果和实际测试的情况，对硬件设备进行调整优化。调整电机启动和停止时间、接触器控制电路或使用变频器实现电机软启动和软停止，减小启动和停止时的冲击电流；调整传感器安装位置和参数设置，提高检测精度和可靠性。图5-3PLC与HMI连接的网络视图对仿真模型进行改进，使其能更准确地反映出设备的性能和工作状态。依据电磁阀流量特性和响应时间，优化仿真模型中电磁阀模型参数；按照实际传感器检测范围和精度，对仿真模型中的参数设置进行修改。5.1.3系统运行稳定性测试在模拟洗车过程，进行系统运行稳定性测试。观察系统运行状态，查看各个执行机构动作是否平稳、准确。监测系统水压、水位等参数，将这些参数进行比对，看是否在正常范围内。5.2人机交互界面设计5.2.1主界面设计交互界面是用户与自动洗车机功能交互的关键入口，界面主要是对洗车模式选择、洗车进度的动画展示、设备状态以及操作按钮等。在洗车模式选择区，使用图标与文字搭配的说明方式，为用户提供自动洗车、自定义洗车模式选项。洗车模式图标采用洗车流程的简单示意图，洗车进度展示区使用动态进度条，对洗车时所处的阶段进行显示，让用户可以掌握洗车的进度。设备状态显示区运用不同颜色的指示灯，对洗车机各个设备的状态进行显示，绿色表示正常运行状态，红色则代表未使用状态。操作按钮区设置有启动、暂停、停止等核心操作按钮，触摸屏的按钮设计注重在触感的反馈方面，使用户在触摸屏的使用中更加舒适。图5-4HMI控制系统仿真画面画面设计上方为自动洗车机的各个设备，中间部分是汽车的洗车路径，用左右限位传感器，使汽车能实现左右移动的动画，并以此设置好设备的动作时间，下方是三大控制模块区域，分为手动控制区、控制模式选择以及自动控制。图5-5HMI状态显示仿真画面图5-5状态显示的仿真画面设计，对自动洗车系统中各设备运行状态的直观反馈，是便于显示洗车机状态的简易画面设计。图5-6控制HMI画面动作的脚本程序1图5-7控制HMI画面动作的脚本程序2将设计好的仿真界面与PLC变量相关联，并为动画预留合适的空间位置，实现PLC程序块与HMI画面的互通，确定开关按钮之间的置位与复位关系，并调试使仿真画面达到预期的效果。图5-8以刷子设备为例变量的关联图5-9以复位按钮为例变量的置位位与复位位事件添加5.2.2洗车模式界面设计在用户进入洗车模式界面时，可以从中选择洗车模式的流程。以自动模式为例，先进行预洗，用高压水枪以9MPA水压冲洗车身缝隙、底盘等部位，耗时在1分钟左右；接着进行清洁剂喷涂，均匀覆盖车身，浸泡时间为2分钟；再者是多方位刷洗，使用毛刷刷洗动作，对车身表面、车窗、轮毂等进行刷洗，持续3分钟；进行洗车操作的最后阶段风干，使用大功率风机，使车身无水渍残留，风干时间1.5分钟，车身风干完成后，自动流程结束。图5-10正在执行自动模式下洗车指令的画面图5-11正在执行手动模式下洗车指令的画面5.2.3设备状态监控界面设计设备状态的监控界面可为操作人员或维护人员提供实时的设备运行数据。以表格的形式呈现，表格列出电机、水泵、电磁阀、传感器等设备的名称等参数。界面设置有故障报警区域，在设备发生故障时，以弹窗文本形式显示故障类型、故障时间，采用了离散量报警与模拟量报警两种形式，对报警文本进行编写，电机过载故障，水压过低，刷子异常等。图5-12模拟报警5.3人机交互界面测试5.3.1功能完整性测试在洗车模式中，点击洗车模式选项，检查是否能准确运行相关指令，并完成相应的操作。在设备状态的监控功能测试中，模拟设备的不同运行状态，电机启动、停止、过载，传感器故障等，观察界面对设备状态的显示情况，故障报警信息是否完整。操作设置功能测试时，检查设置是否能生效，在洗车过程中是否按照新设置运行，完成对设计的功能测试。5.3.2操作便捷性测试在操作过程中，从用户能否快速找到所需的功能按钮，启动、暂停、停止按钮是否易于识别、点击这一方面，进行测试。洗车模式的选择，用户是否可以在短时间内按照自身需求完成对不同模式的选择。测试界面的响应速度，点击按钮或进行设置操作后，界面是否能及时反应，进而对设备的反应参数进行更准确的设置。5.4人机交互界面优化与改进5.4.1功能优化对于洗车模式详情界面中部分信息展示不清晰的问题，重新设计图文排版，采用更大的图片、添加更详细的文字说明。针对设备状态监控界面在出现多个故障时，报警信息显示较乱的情况，对报警信息的排序规则进行设计，按照故障严重程度和发生时间先后进行排列，增加故障分类筛选的功能，使维护人员可通过报警文本快速定位故障发生的位置。在操作设置界面，自定义洗车程序，增加引导提示功能，提高用户对完成自动洗车操作的效率。5.4.2操作便捷性改进对操作便捷性测试进行相应的反馈，界面设计中进行改进。调整操作按钮的位置和大小，将常用的启动、暂停、停止按钮放置在界面底部中央位置，增大按钮的尺寸，增加按钮的触感反馈效果，在洗车模式的选择界面中，为洗车模式增加文字辨识度，常规清洗快速高效、深度清洁等文字说明，使用户可以更合理、快速地做出对洗车模式的选择。

6结论在基于PLC的自动洗车控制系统设计中，实现系统自动化控制的核心环节是对程序的编写与编译。采用西门子S7-1200系列PLC，使用梯形图编程语言，构建了洗车流程控制、模式切换等功能的程序设计。洗车流程控制程序将洗车过程分为预洗、清洁剂喷涂、清水冲洗、刷洗车身、风干等多个自动洗车阶段。清洗模式切换程序可使用点按触摸屏的相应按钮，调用不同的洗车流程子程序，满足了用户多样化需求。在程序编写过程中，注重模块化设计，将功能分解为多个独立模块，使得程序具有可扩展性。在编写程序初期，对部分指令的理解不够，使得程序逻辑出现一些错误，将程序下载到目标模拟的PLC中，打开监视模式对程序段进行监视，对相应地方进行修正，问题也得以解决。仿真应用方面利用PLC编程软件的仿真功能，对编写好的程序进行模拟运行测试。在仿真过程中，能够直观地观察PLC的输入输出点状态、定时器和计数器的工作情况，对整个洗车流程程序段的执行顺序进行合理安排。通过在HMI仿真画面中的设计，对系统的各种运行进行测试，对程序的逻辑正确性和系统的稳定性进行有效的验证。在仿真过程中也不可避免地出现一些问题，程序段的指令预留时间不当，致使仿真动画没有达到预期的情况。针对这个问题，将程序中的设定时间进行修改，使仿真结果更接近实际情况。在未来的改进方向上，主要对系统综合性能方面进行改进。在硬件上，选用更高性能的PLC和传感器，提高系统的数据处理速度与信号检测强度